(57)【要約】【課題】ピストンの運動方向が重力の作用方向に交差する場合に、ピストンが運動を開始した後、速やかにピストンをシリンダから浮き上がらせること。【解決手段】このピストン機関は、シリンダ２２内を往復運動し、かつ、その運動方向が鉛直方向に対して直交するとともに、ピストン本体２１１の内部に蓄圧室２１２が形成されるピストン２１を備える。蓄圧室２１２とシリンダ２２内とは、流体導入部２１４によって連通されており、シリンダ２２内の作動流体が蓄圧室２１２に導入される。そして、ピストン２１の側周部２１１ａ1、２１１ａ2には、蓄圧室２１２に取り込まれた前記気体を、ピストン２１の側面とシリンダ２２との間に噴出する複数の給気孔２１６、２１７が設けられている。この給気孔２１６、２１７は、鉛直方向上側ＵＳよりも鉛直方向下側ＬＳの方が多く配置される。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復運動し、かつ、その運動方向が鉛直方向に対して交差するピストンと、
前記ピストンの内部に形成された中空部と、
前記中空部と前記シリンダ内とを連通し、前記シリンダ内の作動流体を前記ピストンの運動により前記中空部に導入する流体導入部と、
鉛直方向上側における前記ピストンの側周部よりも、鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に多く設けられて、前記中空部に導入された前記作動流体を前記ピストンの側面と前記シリンダとの間に噴出する複数の給気孔と、
を含むことを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に設けられる給気孔は、
前記ピストンの運動方向と重力の作用方向とが直交するように前記ピストンを配置した場合において、重力による前記ピストンの側圧の総和に対する重心点に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
【請求項３】
鉛直方向上側における前記ピストンの側周部に設けられる給気孔は、
前記ピストンの中心軸を基準として、前記重心点に対向する対向点に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン機関。
【請求項４】
鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に設けられる給気孔は、
前記ピストンの運動方向と重力の作用方向とを交差させて前記ピストンを配置し、かつ前記ピストンが静止しているときに、前記ピストンと前記シリンダとが接する部分からずらして配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項５】
前記給気孔は、
前記ピストンの周方向に対して、略等間隔で配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項６】
前記流体導入部は、
前記中空部へ前記作動流体が流入するときの流路抵抗よりも、前記中空部から前記作動流体が流出するときの流路抵抗の方が大きく、かつ可動部を有さない流体素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストン機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン装置に関し、さらに詳しくは、ピストンリングや潤滑油を使用しないでシリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。スターリングエンジンを含む外燃機関に適用可能なピストン装置として、特許文献１に開示された技術が知られている。
【０００３】
上記特許文献１に開示された外燃機関のピストンは、ピストンのシリンダ内の往復運動にともなって作動空間内で圧縮、膨張を繰返す作動媒体の働きにより駆動されるディスプレーサを用いるタイプのスターリングエンジンに適用されるものであって、ピストン内部に形成され、作動空間内で圧縮された作動媒体を一時的に蓄える加圧室と、加圧室内の作動媒体が作動空間内へ逆流することを防止する逆止弁と、加圧室内の作動媒体をピストンとシリンダとのクリアランス部に噴出するオリフィスとを具備するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−４６４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、作動流体をオリフィスから噴出させて空気軸受を形成する場合、ピストンの運動方向が、重力の作用方向に対して交差するようにピストンを配置した場合、ピストンが運動を開始して空気軸受が形成され、ピストンがシリンダから浮上するまでの間にはある程度の時間を要する。このため、ピストンが運動を開始してからピストンがシリンダから浮上するまでの間、重力の影響によってピストンとシリンダとが接触する。特許文献１に開示された技術では、かかる点が顧慮されていないため、ピストンとシリンダとの接触時間が長い場合、ピストンやシリンダの摩耗が大きくなり、これらの耐久性を短くしてしまうおそれがある。この摩耗は、ピストンの運動方向が、重力の作用方向と直角になるほど顕著になる。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作動空間からピストン内に設けられた中空部内へ加圧状態保持手段を介して作動流体を取り入れ、ピストン側周部から噴出するピストン機関において、ピストンの運動方向が重力の作用方向に交差する場合に、ピストンが運動を開始した後、速やかにピストンをシリンダから浮き上がらせて、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できるピストン機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、シリンダ内を往復運動し、かつ、その運動方向が鉛直方向に対して交差するピストンと、前記ピストンの内部に形成された中空部と、前記中空部と前記シリンダ内とを連通し、前記シリンダ内の作動流体を前記ピストンの運動により前記中空部に導入する流体導入部と、鉛直方向上側における前記ピストンの側周部よりも、鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に多く設けられて、前記中空部に導入された前記作動流体を前記ピストンの側面と前記シリンダとの間に噴出する複数の給気孔と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
このピストン機関は、ピストン内に設けられた中空部内へ取り入れられた作動流体をピストン側周部から噴出する場合において、ピストンの自重を考慮して、ピストンの側周部に設ける給気孔を、鉛直方向上側よりも鉛直方向下側に多く配置する。これによって、ピストンの運動により中空部に導入された作動流体（例えば空気）を、ピストンの給気孔から噴出し始めた直後から、鉛直方向下側に配置した給気孔によって生み出されるピストンを浮かせる力の総和と、鉛直方向上側に配置した給気孔によって生み出されるピストンを浮かせる力の総和との差がより大きくなる状態を作り出すことができる。その結果、ピストンが運動を開始した後、速やかにピストンをシリンダから浮かせて、ピストンとシリンダの内壁との接触を最小限に抑えて、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。
【０００９】
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に設けられる給気孔は、前記ピストンの運動方向と重力の作用方向とが直交するように前記ピストンを配置した場合において、重力による前記ピストンの側圧の総和に対する重心点に対して対称に配置されることを特徴とする。
【００１０】
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、鉛直方向上側における前記ピストンの側周部に設けられる給気孔は、前記ピストンの中心軸を基準として、前記重心点に対向する対向点に対して対称に配置されることを特徴とする。
【００１１】
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に設けられる給気孔は、前記ピストンの運動方向と重力の作用方向とを交差させて前記ピストンを配置し、かつ前記ピストンが静止しているときに、前記ピストンと前記シリンダとが接する部分からずらして配置されることを特徴とする。
【００１２】
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記給気孔は、前記ピストンの周方向に対して、略等間隔で配置されることを特徴とする。
【００１３】
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記流体導入部は、前記中空部へ前記作動流体が流入するときの流路抵抗よりも、前記中空部から前記作動流体が流出するときの流路抵抗の方が大きく、かつ可動部を有さない流体素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係るピストン機関は、作動空間からピストン内に設けられた中空部内へ加圧状態保持手段を介して作動流体を取り入れ、ピストン側周部から噴出するピストン機関において、ピストンの運動方向が重力の作用方向に交差する場合に、ピストンが運動を開始した後、速やかにピストンをシリンダから浮き上がらせて、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下においては、ピストン機関の一例としてスターリングエンジンを取り上げる。そして、スターリングエンジンを用いて車両等に搭載される内燃機関の排熱を回収する例を説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。
【実施例】
【００１６】
この実施例に係るピストン機関は、シリンダ内の作動空間からピストン内の中空部内へ作動流体を導入し、これをピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出するピストン機関である。そして、ピストンの側周部に設けられる給気孔は、ピストンの鉛直方向上側と鉛直方向下側とで異なる点に特徴がある。より具体的には、ピストンの側周部に設けられる給気孔は、ピストンの鉛直方向上側よりも鉛直方向下側の方が多い点に特徴がある。
【００１７】
図１は、この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。図２は、この実施例に係るピストン機関によって内燃機関の排熱を回収する状態の一例を示す説明図である。図３は、この実施例に係るピストン機関を車両の床下に配置した例を示す正面図である。図１に示すように、この実施例に係るスターリングエンジン１０は、α型（２ピストン形）のスターリングエンジンであり、高温側及び低温側ピストン・シリンダ部２０、３０を備えている。図１に示すように、高温側及び低温側ピストン・シリンダ部２０、３０は、直列並行に配置されている。低温側ピストン・シリンダ部３０のピストン３１は、高温側ピストン・シリンダ部２０のピストン２１に対して、クランク角で９０°程度の位相差がつけられている。
【００１８】
高温側ピストン・シリンダ部２０のピストン２１は、シリンダ（高温側シリンダ）２２内に収められており、この中で往復運動する。また、低温側ピストン・シリンダ部３０のピストン３１は低温側シリンダ３２内に収められており、この中を往復運運動する。高温側シリンダ２２の加熱器４７側における空間（以下膨張空間ＥＳ）には、加熱器４７によって加熱された作動流体が流入する。シリンダ（低温側シリンダ）３２の再生熱交換器（以下再生器という）４６側の空間（以下圧縮空間ＰＳ）には、冷却器４５によって冷却された作動流体が流入する。なお、膨張空間ＥＳと、圧縮空間ＰＳとは、作動空間ともいう。
【００１９】
再生器４６は、膨張空間ＥＳと圧縮空間ＰＳとを作動流体が往復する際に熱を蓄える。すなわち、膨張空間ＥＳから圧縮空間ＰＳへと作動流体が流れるときには、再生器４６は、作動流体から熱を受け取り、圧縮空間ＰＳから膨張空間ＥＳへと作動流体が流れる時には、蓄えられた熱を作動流体に渡す。
【００２０】
２つのピストン２１、３１の往復運動にともない、作動ガスの往復流動が生じて高温側シリンダ２２の膨張空間ＥＳ、及び低温側シリンダ３２の圧縮空間ＰＳにある作動流体の割合が変化し、また、全容積も変わるため、圧力の変動が生じる。２つのピストン２１、３１がそれぞれ同位置にある場合の圧力を比較すると、ピストン２１についてはその上昇時より下降時の方がかなり高く、ピストン３１については逆に低くなる。このため、ピストン２１は外部に対し大きな正の仕事（膨張仕事）を行い、ピストン３１は外部から仕事（圧縮仕事）を受ける必要がある。膨張仕事は、一部が圧縮仕事に使われ、残りが駆動軸４０を介して出力として取り出される。
【００２１】
図１に示すように、駆動軸４０は、クランクケース４１内に格納されているクランク軸４３と連結されている。クランク軸４３は、２つのピストン２１、３１と、ピストン側連結棒６１、連結ピン６０、連結棒１０９を介して連結されている。クランク軸４３は、２つのピストン２１、３１の往復運動を回転運動に変換して、駆動軸４０へ伝達する。
【００２２】
作動流体（本実施例では空気）は、その平均圧力が高い程、冷却器４５や加熱器４７による同じ温度差に対しての圧力差が大きくなるので、スターリングエンジン１０からは高い出力が得られる。作動流体の平均圧力はクランクケース４１内の圧力になるので、クランクケース４１内を加圧手段によって加圧して、スターリングエンジン１０からより多くの出力を取り出すようにすることが好ましい。
【００２３】
図２に示すように、この実施例に係るスターリングエンジン１０は、車両において、例えばガソリンエンジンのような内燃機関２２０とともに用いられる。すなわち、スターリングエンジン１０は、例えばガソリンエンジンのような内燃機関２２０の排気ガスＥｘを熱源として駆動される。スターリングエンジン１０の加熱器４７は、車両に搭載される内燃機関２２０の排気管１００の内部に配置され、排気ガスＥｘから回収した熱エネルギにより作動流体が加熱されて、スターリングエンジン１０が作動する。なお、この実施例において、スターリングエンジン１０は、内燃機関２２０の排気ガスＥｘを熱源として発電機２２５を駆動している。
【００２４】
この実施例に係るスターリングエンジン１０は、排気管１００の内部にその加熱器４７が収容されるというように、車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増し、好ましい。そのために、スターリングエンジン１０では、２つの高温側及び低温側シリンダ２２、３２をＶ字形ではなく、直列並行に配置した構成を採用している。
【００２５】
加熱器４７が排気管１００の内部に配置される場合、排気管１００の内部において相対的に高温の排気ガスが流れる排気ガスの上流側（ガソリンエンジンに近い側）１００ａに、加熱器４７の高温側シリンダ２２側が位置し、相対的に低温の排気ガスが流れる下流側（ガソリンエンジンから遠い側）１００ｂに加熱器４７の低温側シリンダ３２側が位置するように配置される。加熱器４７の高温側シリンダ２２側をより多く加熱するためである。
【００２６】
高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２のそれぞれは、円筒状に形成されており、基準体である基板４２に支持されている。この実施例においては、この基板４２が、スターリングエンジン１０の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、スターリングエンジン１０の各構成要素の相対的な位置精度が確保される。また、この基板４２は、スターリングエンジン１０が排熱回収対象である排気管（排気通路）１００等に取り付けられるときの基準として用いることができる。
【００２７】
排気管１００のフランジ１００ｆに対して、断熱材を介して、基板４２が固定されている。排気管１００と基板４２とは、相対的位置精度が確保された状態で固定されるため、基板４２は、固定的構造物として排気管１００が備えた装置取付面であると考えることができる。基板４２には、高温側シリンダ２２の側面（外周面）に設けられたフランジ２２ｆが固定されている。
【００２８】
排気管１００とスターリングエンジン１０とは、基板４２を介して取り付けられる。このとき、基板４２と、高温側シリンダ２２において加熱器４７が接続される側の端面（頂部２２ｂの加熱器４７が接続される側）、及び低温側シリンダ３２において冷却器４５が接続される側の端面（頂面３２ａ）とが実質的に平行になるように、スターリングエンジン１０が基板４２に取り付けられる。
【００２９】
これにより、既存の排気管１００に大幅な設計変更を加えることなく、容易に排気管１００にスターリングエンジン１０を取り付けることができる。その結果、排熱回収対象である車両の内燃機関本体の性能や搭載性、騒音等の機能を損なうことなくスターリングエンジン１０を排気管１００に搭載することができる。また、同一仕様のスターリングエンジン１０を異なる排気管に取り付ける場合でも、加熱器４７の仕様を変更するだけで対応できるので、汎用性を向上させることができる。
【００３０】
図３に示すように、この実施例に係るスターリングエンジン１０が車両２００に搭載される場合には、例えば、車両２００の床下に搭載される。そして、車両２００の床下に配された排気管１００に隣接するスペースに横置きされる。すなわち、車両の床面２００ｕｐに対して、高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２のそれぞれの軸線方向が概ね平行になるように配置され、２つのピストン２１、３１は、水平方向に往復運動する（図３の矢印Ｃ方向）。このとき、２つのピストン２１、３１は、鉛直方向、すなわち重力の作用方向（図３の矢印Ｇ方向）と直交する方向に往復運動する。なお、後述する図４に示すように、この実施例に開示する構成は、ピストン２１の側周部２１１ａ1、２１１ａ2に、重力の作用方向の成分が作用している場合に適用できる。したがって、この実施例に開示する構成は、鉛直方向、すなわち重力の作用方向に対して交差する方向に、ピストン２１、２２が運動する場合に適用できる。
【００３１】
ピストン２１、３１の外周面とシリンダ２２、３２の内壁との間には、それぞれ微小なクリアランスが設けられている。そのクリアランスには、スターリングエンジン１０の作動流体（気体であり、この実施例では空気）が介在して、空気軸受４８を構成している。ここで、空気軸受４８は、ピストン２１、３１とシリンダ２２、３２との間の微小なクリアランスで発生する作動流体の圧力（分布）を利用して、ピストン２１、３１をシリンダ２２、３２内に浮いた状態とする。
【００３２】
ピストン２１、３１は、それぞれシリンダ２２、３２に対して空気軸受４８により非接触の状態で支持されている。したがって、ピストン２１、３１の周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また、一般にピストンリングとともに使用される潤滑油も使用されていない。なお、シリンダ２２、３２の内壁には、固体潤滑材を付してもよい。空気軸受４８の作動流体の摺動抵抗は元々極めて低いが、停止、起動時のように空気軸受の機能が不十分な場合に、ピストンとシリンダとの摺動抵抗を低減することができるからである。
【００３３】
空気軸受４８（図１参照）は、スターリングエンジン１０の作動空間内で圧縮された作動流体をピストン２１、３１の内部に導入し、ピストン２１、３１の側周部に設けられた複数の孔からピストン２１、３１とシリンダ２２、３２との間のクリアランス部に噴出することで構成される、静圧空気軸受である。静圧気体軸受とは、加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体（この実施例ではピストン２１、３１）を浮上させるものである。
【００３４】
この実施例では、スターリングエンジン１０の熱源が車両２００の内燃機関２２０の排気ガスＥｘであることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０を効果的に作動させる必要がある。そのため、図１に示すように、膨張空間ＥＳへできるだけ高温の作動流体が流れるように、高温側シリンダ２２の頂部２２ｂの加熱器４７が接続される側、及び高温側シリンダ２２の側面２２ｃの加熱器４７が接続される側が、排気管１００の内部に配設されている。これにより、上死点近傍において、膨張側のピストン２１のピストン頂部２１１ｔは排気管１００の内部に位置することになり、膨張側のピストン２１のピストン頂部２１１ｔが効果的に加熱される。
【００３５】
ここで、この実施例に係るスターリングエンジン１０では、基板４２を高温側及び低温側シリンダ２２、３２の作動流体の導入側に配置して、両シリンダを基板４２に組み付ける。このような構成により、高温側及び低温側シリンダ２２、３２を拘束して、高温側シリンダ２２と低温側シリンダ３２との距離の増大を抑制する。その結果、スターリングエンジン１０の運転中、加熱器４７が高温になった場合でも、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受４８の機能を発揮させることができる。
【００３６】
次に、ピストン２１、３１の構成について詳細に説明する。ここで、図１に示すように、ピストン２１、３１の大きさは異なっているが、その構造は共通である。この実施例に係るピストン２１、ピストン３１は、ともに共通の構成を備えるので、以下では、ピストン２１について説明し、ピストン３１については説明を省略する。
【００３７】
図４は、この実施例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。図５は、この実施例に係るピストンをその頂面部側から見た平面図である。図６は、図４の矢印Ｂ方向からこの実施例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。図７は、図４の矢印Ａ方向からこの実施例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。
【００３８】
ピストン２１は、ピストン本体２１１と、そのピストン本体２１１の内部（すなわちピストン２１の内部）に形成された中空部（以下蓄圧室という）２１２と、仕切り部材２１３とを備えている。この実施例において、仕切り部材２１３は、ピストン本体２１１の裾部２１１ｓでピストン２１の内壁２１１ｉｗに取り付けられる。そして、図４に示すように、仕切り部材２１３は、ピストン側連結棒６１にピストン２１を取り付けるためのピストンピン６２を避けるように構成される。このような構成によって、ピストン本体２１１は、仕切り部材２１３によってピストン頂部２１１ｔ側とピストン裾部２１１ｓ側とが塞がれて、内部に蓄圧室２１２が形成される。
【００３９】
ピストン本体２１１は、高温側シリンダ２２（図１）と摺動する側周部（摺動部）２１１ａ1、２１１ａ2と一体として（連続的に）蓋状に設けられた頂面部２１１ｂとを有している。頂面部２１１ｂの中央部には、高温側シリンダ２２内の作動空間と蓄圧室２１２とを連通し、前記作動空間内の作動流体を蓄圧室２１２へ導入するための流体導入部２１４が設けられる。この実施例において、流体導入部２１４は、流体素子で構成されるが、詳細は後述する。
【００４０】
図４、図５に示すように、ピストン本体２１１の側周部２１１ａ1、２１１ａ2には、複数の給気孔２１６、２１７が設けられている。以下の説明においては、説明の便宜上、ピストン２１の鉛直方向上側ＵＳに配置される給気孔を第１の給気孔２１６とし、ピストン２１の鉛直方向下側ＬＳに配置される給気孔を第２の給気孔２１７とする。また、ピストン２１の鉛直方向上側ＵＳの側周部を第１の側周部２１１ａ1とし、ピストン２１の鉛直方向下側ＬＳの側周部を第２の側周部２１１ａ2とする。そして、それぞれの給気孔２１６、２１７が配置される位置に注目する場合には、第１の給気孔２１６、第２の給気孔２１７、第１の側周部２１１ａ1、第２の側周部２１１ａ2というように両者を区別する。
【００４１】
ここで、鉛直方向上側ＵＳとは、ピストン２１の運動方向（図４の矢印Ｃ方向）が重力の作用方向（図４の矢印Ｇ方向）と直交するようにピストン２１が配置された場合において、ピストン２１の中心軸（ピストン中心軸）Ｚを通り、かつ重力の作用方向に対して直交する平面（図５のＹで示す平面、以下境界平面）よりも上側（重力の作用方向とは反対側）をいう。また、鉛直方向下側ＬＳとは、ピストン２１の運動方向（図４の矢印Ｃ方向）が重力の作用方向（図４の矢印Ｇ方向）と直交するようにピストン２１が配置された場合において、前記境界平面よりも下側（重力の作用方向側）をいう。
【００４２】
図８は、この実施例に係る給気孔を示す断面図である。図９は、この実施例に係る給気孔を示す平面図である。給気孔２１７（２１６）は、オリフィス２１７ｏ（２１６ｏ）と拡大部２１７ｓ（２１６ｓ）とで構成される。作動流体は、オリフィス２１７ｏ（２１６ｏ）を通って拡大部２１７ｓ（２１６ｓ）で広がってピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスに噴出する。拡大部２１７ｓ（２１６ｓ）は、オリフィス２１７ｏ（２１６ｏ）から噴出された作動流体を溜めて蓄圧する機能を有するので、ピストン２１の起動時には受圧面積を大きくして、より大きな力で安定してピストン２１を浮上させることができる。
【００４３】
また、ピストン２１が往復運動を開始した後に、ピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスが変化した場合には、オリフィス２１７ｏ（２１６ｏ）によって流量が調整される。これによって、ピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスが略一定に保たれる。オリフィス２１７ｏ（２１６ｏ）の直径Ｄ1と、拡大部２１７ｓ（２１６ｓ）の直径Ｄ2とは、スターリングエンジン１０やピストン２１の仕様、あるいは運転条件等によって適宜変更する。
【００４４】
ピストン２１が上死点側に移動すると、流体導入部２１４から高温側シリンダ２２の作動空間の作動流体が蓄圧室２１２内へ流入する。ここで、この実施例に係る流体導入部について説明する。すでに説明したように、流体導入部２１４は流体素子で構成される。図１０は、この実施例に係る流体導入部を示す断面図である。流体導入部２１４は、順流（蓄圧室２１２へ作動流体が導入されるときの流れ）時に比較して、逆流（蓄圧室２１２から作動流体が流出するときの流れ）時には著しく流路抵抗が増大する特性が要求される。このため、この実施例に係る流体導入部２１４を構成する流体素子は、次のように構成される。
【００４５】
前記流体素子は、頂面側開口部２１４ｏｗの曲率Ｒ２が、蓄圧室側開口部２１４Ｃの曲率Ｒ１よりも相対的に大きい。蓄圧室側開口部２１４Ｃの曲率Ｒ１は極めて小さく設定されており、限りなく０に近いことが好ましい。頂面側開口部２１４ｏｗは、突起がなく滑らかな表面に形成し、蓄圧室側開口部２１４Ｃは、突出し、高さｈ2の突起が形成される。また、蓄圧室側開口２１４ｏ1の端面２１４Ｓが、導入通路２１４Ｈの通路軸となす角θは鋭角に形成される。このような構成によって、作動流体は、頂面側開口２１４ｏ2から蓄圧室２１２へ滑らかに流れ込むが、作動流体は、蓄圧室側開口２１４ｏ1を通っては流出し難くなる。その結果、ピストン２１が往復運動すると、蓄圧室２１２内に蓄えられる作動流体の圧力（蓄圧室内圧力）Ｐｐは増加し、一定の値に漸近する。なお、流体素子の代わりにリード弁を用いて逆止弁を構成し、これを流体導入部２１４としてもよい。
【００４６】
ピストン２１の往復運動によって、流体導入部２１４を介して、作動空間の作動流体の一部が蓄圧室２１２に導入される。すると、蓄圧室２１２の作動流体の一部は、給気孔２１６、２１７を通ってピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスに噴出し、空気軸受４８（図１参照）を構成する。なお、クリアランスの大きさｔｃ（図４）は、１５μｍ〜３０μｍ程度である。次に、給気孔２１６、２１７の配置について説明する。
【００４７】
図１１は、この実施例に係るピストン機関が運動を開始して、給気孔から作動流体を噴出し始めた直後の状態を示す概念図である。この実施例に係るピストン２１は、ピストン２１の運動によって蓄圧室２１２内へ導入された作動流体を給気孔２１６、２１７から噴出し始めた直後から、鉛直方向下側ＬＳの給気孔２１７によってピストン２１を浮かせる力の総和と、鉛直方向上側ＵＳの給気孔２１６によってピストン２１を高温側シリンダ２２から浮かせる力の総和との差がより大きくなるように、給気孔２１６、２１７がピストン２１の側周部２１１ａ1、２１１ａ2に設けられる。ここで、ピストン２１を浮かせる力とは、ピストン２１が高温側シリンダ２２から離れるようにする力をいう。
【００４８】
これを実現するために、例えば、図４〜図７に示すように、鉛直方向上側ＵＳにおける第１の給気孔２１６よりも、鉛直方向下側ＬＳにおける第２の給気孔２１７を多く設ける。すなわち、給気孔２１６、２１７は、鉛直方向上側ＵＳにおけるピストン２１の第１の側周部２１１ａ1よりも、鉛直方向下側ＬＳにおけるピストン２１の第２の側周部２１１ａ2に多く設けられることになる。
【００４９】
ピストン２１が動き始めると、流体導入部２１４から作動空間内の流体が蓄圧室２１２へ導入されるが、このときの蓄圧室内圧力Ｐｐは徐々に増加していくため、重力に逆らってピストン２１を高圧側シリンダ２２から浮上させるためにはある程度の時間を要する。ピストン２１が浮上するまでは、ピストン２１のピストン本体２１１と高温側シリンダ２２の内壁２２ｉｗとが接触して摺動するため、両者の接触面の摩耗が進行しやすくなる。
【００５０】
ここで、ピストン２１の蓄圧室２１２内における蓄圧室内圧力Ｐｐは一定であるため、給気孔の数が多いほど、ピストン２１を高温側シリンダ２２から浮上させる力は大きくなる。この実施例では、鉛直方向上側ＵＳにおける第１の給気孔２１６よりも、鉛直方向下側ＬＳにおける第２の給気孔２１７を多く設けている。このため、ピストン２１の給気孔から空気が噴出し始めた直後から、第２の給気孔２１７によって生み出されるピストン２１を浮かせる力Ｆ2の総和と、第１の給気孔２１６によって生み出されるピストン２１を浮かせる力Ｆ1の総和との差がより大きくなる状態を作り出すことができる（Ｆ2の総和＞Ｆ1の総和）。これによって、ピストン２１が運動を開始してから速やかにピストン２１を高温側シリンダ２２から浮かせることができる。その結果、ピストン本体２１１と高温側シリンダ２２の内壁２２ｉｗとの接触を最小限に抑えて、起動時における両者の磨耗を最小限に抑えることができる。
【００５１】
なお、この実施例に係るスターリングエンジン１０は、ピストン２１が高温側シリンダ２２から浮上した後において、ピストン２１の自重を考慮して、ピストン２１を浮上させる力とピストン２１の自重とが釣り合うようにすることを目的として、給気孔２１７の配置を設定しているものではない。上述した通り、第２の給気孔２１７によって生み出されるピストン２１を浮かせる力Ｆ2の総和と、第１の給気孔２１６によって生み出されるピストン２１を浮かせる力Ｆ1の総和との差がより大きくなる状態を、できる限り速やかに作り出すように、給気孔２１７の配置を決定する。これによって、ピストン２１の浮上を補助して、ピストン２１が高温側シリンダ２２から浮上するまでの期間をできるだけ短くすることを目的とするものである。
【００５２】
この実施例に係るスターリングエンジン１０のピストン２１は、往復運度しながら、ピストン頂面部に設けた流体導入部２１４から作動空間内の作動流体を蓄圧室２１２内へ取り込みながら、これを給気孔２１６、２１７から噴出して空気軸受４８を形成する。このように、外部から気体が供給されるのではなく、自己の運動によって作動流体を内部に取り込んでから噴出するので、ピストン２１が運動を開始してからある程度の時間が経過しなければ、ピストン２１を浮上させるために十分な作動流体は得られない。
【００５３】
したがって、できるだけ早くピストン２１を高温側シリンダ２２から浮かせるという観点から、この実施例で説明した上記構成は極めて有効である。特に、流体導入部２１４として、上述の流体素子を使用した場合、蓄圧室内圧力Ｐｐは比較的上昇しにくい。しかし、この実施例に係る給気孔の配置では、鉛直方向上側ＵＳにおける第１の給気孔２１６よりも、鉛直方向下側ＬＳにおける第２の給気孔２１７を多く設けて、ピストン２１の運動開始後から、ピストン２１が高温側シリンダ２２から浮上することを強化する。その結果、ピストン２１が運動を開始した後、これを速やかに浮かせることができる。
【００５４】
ここで、鉛直方向下側ＬＳに配置される第２の給気孔２１７は、ピストン中心軸Ｚと重力の作用方向とが直交するようにピストン２１を配置した場合において、重力による前記ピストン２１の側圧の総和に対する重心点ｇに対して対称に配置することが好ましい（図７）。ここで、ピストン２１の側圧は、重力の作用方向と直交する仮想的な平面上にピストン２１を載置したときに、重力によって前記ピストン２１が前記仮想的な平面から受ける圧力であって、前記仮想的な平面に垂直な成分である。このようにすれば、第２の給気孔２１７によって生み出されるピストン２１を浮かせる力Ｆ2の合力を、前記重心点ｇに合わせることができる。その結果、ピストン２１の傾きを抑制して、安定してピストン２１を浮かせることができる。
【００５５】
次に、図１を参照して、ピストン・シリンダの構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。上記のように、スターリングエンジン１０の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、得られる熱量には制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０を作動させる必要がある。そこで、この実施例では、スターリングエンジン１０の内部摩擦を可能な限り低減させている。このため、この実施例では、スターリングエンジンの内部摩擦のうち、最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を極限まで低減するため、ピストンリングを使用せずに、上述した空気軸受（エアベアリング）４８を用いる。
【００５６】
空気軸受４８は、摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン１０の内部摩擦を大幅に低減させることができる。また、空気軸受４８を使用することで、ピストンリングで用いる潤滑油が不要となる。一方、空気軸受４８は、シリンダ２２、３２の直径方向（横方向、スラスト方向）の力に耐える能力（負荷能力）が低いため、ピストン２１、３１のサイドフォースを実質的にゼロにすることが好ましい。このため、シリンダ２２、３２の軸線（中心軸）に対するピストン２１、３１の直線運動精度を高くする必要がある。特に、この実施例で採用する、微小クリアランスにおける空気圧を用いてピストン２１、３１を浮上させて支持するタイプの空気軸受４８は、高圧の空気を吹き付けるタイプに比べて、スラスト方向の力に対する負荷能力が低い。このため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。
【００５７】
上記の理由から、この実施例では、ピストン・クランク部に直線近似機構を用いる。図１２は、この実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストン・クランク機構の概略構成図である。この実施例では、直線近似機構として、グラスホッパ機構（近似直線リンク）５０を採用する。グラスホッパ機構５０は、他の直線近似機構（例えばワットの機構）に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の寸法が小さくて済むため、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。
【００５８】
特に、この実施例に係るスターリングエンジン１０は、図１に示すように、例えば、自動車の排気管の内部にその加熱器４７が収容されるというように限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。また、グラスホッパ機構５０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の質量が他の機構よりも軽量で済むため、燃費の点で有利である。さらに、グラスホッパ機構５０は、機構の構成が比較的簡単であるため、製造・組み立てが容易であり、また製造コストも低減できるという利点もある。
【００５９】
この実施例において、ピストン・クランク機構は、高温側のピストン２１側と低温側のピストン３１側とで共通の構成を採用しているため、次の説明では、高温側のピストン２１側についてのみ説明し、低温側のピストン３１側についての説明は省略する。図１及び図１２に示すように、ピストン２１の往復運動は、ピストンピン６２、ピストン側連結棒６１、連結ピン６０及び連結棒１０９を介してクランク軸４３に伝達され、ここで、回転運動に変換される。連結棒１０９は、図１２に示すグラスホッパ機構５０によって支持されており、ピストン２１を直線状に往復運動させる。このように、連結棒１０９をグラスホッパ機構５０によって支持することにより、ピストン２１のサイドフォースＦをほとんど０にできるので、負荷能力の小さい空気軸受４８によっても、十分にピストン２１を支持することができる。
【００６０】
（第１変形例）
次に、この実施例の第１変形例について説明する。第１変形例に係るピストン機関は、上記実施例に係るピストン機関の略同様の構成であるが、鉛直方向下側においては、ピストンが静止しているときにピストンとシリンダとが接触する部分から、給気孔をずらして配置する点が異なる。
【００６１】
図１３は、第１変形例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。図１４は、第１変形例に係るピストンをその頂面部側から見た平面図である。図１５は、図１３の矢印Ｂ方向から第１変形例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。図１６は、図１３の矢印Ａ方向から第１変形例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。
【００６２】
図１３〜図１６に示すように、第１変形例に係るピストン２１Ａは、ピストン本体２１１Ａの側周部２１１ａ1、２１１ａ2に複数の給気孔２１６、２１７を備える。そして、鉛直方向上側の第１の側周部２１１ａ1に設けられる第１の給気孔２１６よりも、鉛直方向下側ＬＳの第２の側周部２１１ａ2に設けられる第２の給気孔２１７の方が個数は多くなっている。また、図１４、図１６に示すように、鉛直方向下側ＬＳに設けられる第２の給気孔２１７は、ピストン２１の運動方向（図１３中矢印Ｃ方向）と重力の作用方向（図１３中矢印Ｇ方向）とを交差させて前記ピストンを配置し、かつピストン２１Ａが静止しているときにピストン２１Ａが高温側シリンダ２２に接触する部分（以下静止時接触部という）Ｓｐからずらして配置される。
【００６３】
ピストン２１Ａの外径の曲率と、高温側シリンダ２２の内径の曲率とを比較すると、後者の方がやや大きい。したがって、ピストン２１Ａが静止しているときには、ピストン２１Ａの側周部２１１ａ1と高温側シリンダ２２の内壁２２ｉｗとのクリアランスは、鉛直方向上側に進むにしたがって大きくなる。このため、鉛直方向下側ＬＳに設けられる第２の給気孔２１７を、静止時接触部Ｓｐからずらして配置すると、ピストン２１Ａの側周部２１１ａ1、２１１ａ2における給気孔２１７の拡大部２１７ｓ（図８、図９）の開口面と、高温側シリンダ２２の内壁２２ｉｗとの間に発生する僅かな隙間は、静止時接触部Ｓｐに第２の給気孔２１７を配置した場合よりも大きくなる。
【００６４】
したがって、第２の給気孔２１７を静止時接触部Ｓｐからずらして配置すれば、静止時接触部Ｓｐに第２の給気孔２１７を配置した場合よりも、第２の給気孔２１７のオリフィス２１７ｏ（図８、図９）から噴出される作動流体の受圧面を大きくすることができる。その結果、ピストン２１Ａが往復運動を開始して第２の給気孔２１７から作動流体を噴出し始めたときには、鉛直方向下向きの力と鉛直方向上向きの力との差をより大きくすることができる（鉛直方向下向きの力＞鉛直方向上向きの力）。これによって、ピストン２１Ｂが運動を開始してから高温側シリンダ２２から浮くまでの時間をさらに短縮することができる。
【００６５】
第２の給気孔２１７を静止時接触部Ｓｐからずらして配置する場合、力のバランスを考慮して、静止時接触部Ｓｐの静止側接触線Ｓｐｌと対称になるように第２の給気孔を配置することが好ましい（図１６）。このとき、第２の給気孔２１７は、ピストン中心軸Ｚと重力の作用方向とが直交するようにピストン２１Ａを配置した場合において、重力による前記ピストン２１Ａの側圧の総和に対する重心点ｇに対して対称に配置することが好ましい（図１６）。このようにすれば、第２の給気孔２１７によって生み出されるピストン２１Ａを浮かせる力の合力を、前記重心点ｇに合わせることができる。その結果、ピストン２１Ａの傾きを抑制して、安定してピストン２１Ａを浮かせることができる。
【００６６】
また、鉛直方向上側に配置される第１の給気孔２１６は、ピストン２１Ａの鉛直方向上側において、ピストン中心軸Ｚに対して前記重心点ｇと対向する対向点ｇ２に対して対称となるように配置することが好ましい。これによって、ピストン２１Ａの傾きを抑制して、安定してピストン２１Ａを浮かせることができる。
【００６７】
（第２変形例）
次に、この実施例の第２変形例について説明する。第２変形例に係るピストン機関は、上記第１変形例に係るピストン機関の略同様の構成であるが、ピストンの周方向に向かって略等間隔に給気孔を配置する点が異なる。図１７は、第２変形例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。図１８は、第２変形例に係るピストンをその頂面部側から見た平面図である。
【００６８】
図１８に示すように、ピストン２１Ｂの側周部２１１ａ1、２１１ａ2には、給気孔２１６、２１７が、ピストン中心軸Ｚに対して中心角１２０°の間隔で配置されている。すなわち、給気孔２１６、２１７は、ピストン２１Ｂのピストン本体２１１Ｂの周方向に対して、略等間隔に配置されている。そして、ピストン中心軸Ｚと重力の作用方向（図１７、図１８の矢印Ｇ方向）とが直交するようにピストン２１Ｂを配置した場合、鉛直方向下側ＬＳには、第２の給気孔２１７が位置するとともに、鉛直方向上側ＵＳには第１の給気孔２１６が位置するようになる。このとき、第１及び第２の給気孔２１６、２１７は、鉛直方向上側ＵＳにおける第１の給気孔２１６よりも、鉛直方向下側ＬＳにおける第２の給気孔２１７の方が多くなるように配置される。
【００６９】
また、鉛直方向下側ＬＳにおける第２の給気孔２１７は、前記静止時接触部Ｓｐからずらして配置される。これによって、静止時接触部Ｓｐに第２の給気孔２１７を配置した場合よりも、第２の給気孔２１７のオリフィス２１７ｏから噴出される作動流体の受圧面を大きくすることができる。その結果、第２の給気孔２１７から作動流体を噴出し始めたときには、鉛直方向上向きの力と鉛直方向下向きの力との差をより大きくすることができるので、ピストン２１Ｂが往復運動を開始してから浮くまでの時間を短縮することができる。また、第１及び第２の給気孔２１６、２１７は、ピストン２１Ｂのピストン本体２１１Ｂの周方向に対して略等間隔に配置されるので、第１及び第２の給気孔２１６、２１７によって生み出される力はピストン中心軸Ｚに向かう。これによって、ピストン２１Ｂが高温側シリンダ２２から浮いた後は、両者のクリアランスを一定に維持しやすくなる。
【００７０】
以上、この実施例及びその変形例では、鉛直方向上側における第１の給気孔よりも、鉛直方向下側における第２の給気孔を多く設けている。すなわち、鉛直方向上側よりも鉛直方向下側に、より多くの給気孔を設けている。このため、ピストンの給気孔から空気を噴出し始めた直後から、第２の給気孔によって生み出されるピストンを浮かせる力の総和と、第１の給気孔によって生み出されるピストンを浮かせる力の総和との差が、よりも大きくなる状態を作り出すことができる。これによって、ピストンが運動を開始してから速やかにピストンをシリンダから浮かせることができるので、ピストンとシリンダの内壁との接触を最小限に抑えることができる。これによって、両者の磨耗を最小限に抑えて、両者の耐久性低下を抑制することができる。
【００７１】
なお、上記説明では、スターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気ガスを熱源とすべく排気管に取り付けた構成について説明した。ただし、本発明のスターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気管に取り付けられる形式のものに限定されるものではない。また、上記においては、ピストン機関がスターリングエンジンである場合を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、この実施例に係るピストン機関は、スターリングエンジン以外のピストン機関に対しても容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の作用、効果を奏し、また上記と同様の有用性を有する。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明に係るピストン機関は、ピストンリングを用いないピストン機関に有用であり、特に、ピストン内に中空部を備え、この中空部からシリンダ内面に向かって流体を噴出させるピストン機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。
【図２】この実施例に係るピストン機関によって内燃機関の排熱を回収する状態の一例を示す説明図である。
【図３】この実施例に係るピストン機関を車両の床下に配置した例を示す正面図である。
【図４】この実施例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。
【図５】この実施例に係るピストンをその頂面部側から見た平面図である。
【図６】図４の矢印Ｂ方向からこの実施例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。
【図７】図４の矢印Ａ方向からこの実施例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。
【図８】この実施例に係る給気孔を示す断面図である。
【図９】この実施例に係る給気孔を示す平面図である。
【図１０】この実施例に係る流体導入部を示す断面図である。
【図１１】この実施例に係るピストン機関が運動を開始して、給気孔から作動流体を噴出し始めた直後の状態を示す概念図である。
【図１２】この実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストン・クランク機構の概略構成図である。
【図１３】第１変形例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。
【図１４】第１変形例に係るピストンをその頂面部側から見た平面図である。
【図１５】図１３の矢印Ｂ方向から第１変形例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。
【図１６】図１３の矢印Ａ方向から第１変形例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。
【図１７】第２変形例に係るピストンをその頂面部側から見た平面図である。
【図１８】第２変形例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０  スターリングエンジン
２０  高温側ピストン・シリンダ部
２１、２１Ａ、２１Ｂ  ピストン
２２  高温側シリンダ
２２ｉｗ  内壁
２２ｂ  頂部
３０  低温側ピストン・シリンダ部
３１  ピストン
３２  低温側シリンダ
４３  クランク軸
４５  冷却器
４６  再生器
４７  加熱器
４８  空気軸受
５０  グラスホッパ機構
１００  排気管
２００ｕｐ  床面
２００  車両
２１１、２１１Ａ、２１１Ｂ  ピストン本体
２１１ｔ  ピストン頂部
２１１ａ1、２１１ａ2  側周部
２１１ｂ  頂面部
２１１ｉｗ  内壁
２１１ｓ  裾部
２１２  蓄圧室（中空部）
２１４Ｈ  導入通路
２１４  流体導入部
２１６  給気孔（第１の給気孔）
２１７  給気孔（第２の給気孔）
２２０  内燃機関
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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